Eigenbau Wooden Generator 1 – Experiment 2 mit Gleichrichter

Wooden Generator 1 mit Gleichrichter

Aufbauend auf Wooden Generator Experiment 1 wurde die Schaltung jetzt um einen Brückengleichrichter erweitert.

Hierfür habe ich BAT48 Schottky Dioden verwendet, da diese nur 0,2 Volt verbrauchen.
Als stabilisierendes Element kommt ein 1000 μF Elektrolytkondensator dazu.
Der puffert das ganze ein wenig und die LED sollte etwas länger und stabiler leuchten.
Mit einer kleinen LED als Verbraucher erhalte ich bei schnellen Drehzahlen einen Strom von ca. 5 mA und eine Spannung von ca. 1,7 Volt.
Errechnet ergibt das eine stolze Leistung von 8,5 Milliwatt.
Es ist also noch reichlich Luft nach oben :-)

Wooden Generator Schaltplan Experiment 2 Wooden Generator Versuchsaufbau Exeperiment 2

Das folgende Video gibt einen kurzen Eindruck von der doch recht dürftigen Ausbeute.

https://youtube.com/watch?v=SH9jxq0oGrw%26hl%3Den%26fs%3D1

Wooden Generator 1 – Experiment 1



Da nicht wie ursprünglich geplant nur eine positive Halbwelle erzeugt wird, sondern ein richtiger Wechselstrom wie unter Wooden Generator 1 bereits beschrieben, reagiere ich auf die für mich simpelste Weise darauf.
LED’s verbrauchen wenig Strom. Es kommt ja auch (noch) relativ wenig :-)
Also die positive Halbwelle bringt eine LED zum leuchten und die Negative eine entgegengesetzt Gepolte.

Schaltplan Experiment 1 Versuchsaufbau Experiment 1

Das folgende Video gibt einen Eindruck wie lang und wie stark die LED’s leuchten.

Dimensionierung – Eigenbau VAWT

Ich wollte von Anfang an einen vertikal laufendes Windrad bauen, da es nicht nach dem Wind ausgerichtet werden muss, in der Regel problemlos bei geringen Windstärken anläuft und auch starken Wind stand hält.

Für vertikal laufende Turbinen gibt es mehrere populäre Ansätze, wie  Darrieus-Rotor,  Savonius-Rotor und diverse Abwandlungen.
Da ich von der Ausstattung her als Privatmensch nicht über Werkzeuge und Möglichkeiten eines Produktionsbetriebes verfüge, sollte der Rotor vom Aufbau her möglichst einfach sein, dass ich von zu Hause aus auch in der Lage bin, dies umzusetzen.

Nach viel Recherche im Netz, bin ich auch eine Excel Liste zur Dimensionierung eines Lenz2 Rotors gestoßen.
Laut Erfinder des Flügelprofils, hat dieser einen recht hohen Wirkungsgrad, bei überschaubarer Komplexität.

Jetzt wo geklärt war, welche Art Rotor es werden soll, mussten die Abmessungen festgelegt werden. Wie aus dieser Studie zu entnehmen ist, liegt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in Sachsen in einer Höhe von 10 Meter über dem Erdboden bei ca. 5m/s. Mein Windrad ist in ca. 4 – 5 Metern Höhe über dem Erdboden angebracht und in einer Entfernung von ca. 10 Metern stehen ein paar Büsche, die das Windrad überragen.
Also sind die 5m/s mittlere Windgeschwindigkeit nicht zu erreichen. Ich bin mal von 3m/s ausgegangen, was als Standort für eine produktive Anlage sofort ausscheiden würde. Aber leider habe ich nun mal kein Strand – Grundstück mit 10 Meter hohem Mast zu Verfügung.

Das Windrad soll eine nennenswerte Leistung von mehr als 10 KW/h im Jahr in die Batterie einspeisen. Das ist wesentlich mehr, als ich in 2012 mit meinen kleinen Solarzellen einsammeln konnte.
Ich habe ein wenig mit der Excel Liste zur Dimensionierung von Lenz2 Rotoren herum gespielt und mich am Ende für 70cm Durchmesser und 70cm Höhe mit 3 Flügeln entschieden. Das entspricht fast einem halben Quadratmeter durchströmter Fläche.
Wenn ich die 2,65 Watt, die mit dem 70/70 Rotor bei 3m/s erzeugt werden können aufs Jahr hoch rechne, komme ich auf 23,2 KW/h. Das entspricht dem 3,5 fachen meiner Stromernte von 2012.

Errechnete Leistung (nach Lenz)
Wind Geschwindigkeit km/h Wind Geschwindigkeit m/s Drehzahl belastet U/min Drehzahl leerlauf U/min elektrische Leistung in W
4 1 22 44 0,10
7 2 44 87 0,79
11 3 65 131 2,65
14 4 87 175 6,29
18 5 109 218 12,28
22 6 131 262 21,22
25 7 153 306 33,70
29 8 175 349 50,30
32 9 196 393 71,62
36 10 218 437 98,25
40 11 240 480 130,77
43 12 262 524 169,78
47 13 284 567 215,86
50 14 306 611 269,60
54 15 327 655 331,59
58 16 349 698 402,43
61 17 371 742 482,70
65 18 393 786 573,00
68 19 415 829 673,90
72 20 437 873 786,00
76 21 458 917 909,90
79 22 480 960 1.046,17
83 23 502 1004 1.195,41
86 24 524 1048 1.358,21
90 25 546 1091 1.535,16
94 26 567 1135 1.726,85
97 27 589 1179 1.933,86
101 28 611 1222 2.156,79
104 29 633 1266 2.396,22
108 30 655 1310 2.652,76
112 31 677 1353 2.926,97
115 32 698 1397 3.219,46
119 33 720 1441 3.530,82
122 34 742 1484 3.861,63
126 35 764 1528 4.212,48
130 36 786 1572 4.583,96
133 37 808 1615 4.976,67
137 38 829 1659 5.391,19
140 39 851 1702 5.828,11
144 40 873 1746 6.288,01
Rotordurchmesser: 0,7 m
Rotorhöhe: 0,7 m
Blattanzahl: 3 Stk
Wirkungsgrad lt. Lenz: 41 %
Wirkungsgr. Generator: 80 %

Die 2,65 Watt sind aber sogleich auch das untere Ende der Skala, was die Stromerzeugung angeht. Der Generator sollte im Drehzahlband 60 – 500 U/min eine gute Leistung erzielen. Idealerweise sollte die abgebbare Leistung so ansteigen, wie in der Tabelle beschrieben.

Radius Vorflügel: 66 mm
Länge Gesamtflügel: 280 mm

Ein Blick auf den hinteren Teil der Tabelle, zeigt aber auch was jenseits der 15m/s für Kräfte wirken können.
Auf der einen Seite liefert das Windrad im Mittel wahrscheinlich nicht viel mehr als 20 KW/h im Jahr, aber die Konstruktion muss stabil genug sein mehrere 1000 Watt Windleistung auszuhalten.
Um so leichter die Konstruktion ist, desto besser.
Es lässt sich relativ leicht erkennen, dass ein solches Projekt einen gewissen Anspruch hat.

Ich habe mich entschieden für den Bau des Rotors Aluminium zu verwenden, da dies zum einen leicht und zum anderen nicht vor Korrosion geschützt werden muss.
Aluminium ist eloxiert erhältlich. Ich habe mich für Braun entschieden, da das aus meiner Sicht sehr wenig Sonnenlicht reflektiert.
Blankes Alu wirkt wie ein Spiegel und ich will nicht riskieren, dass sich bei Sonnenschein die Nachbarn aufregen.
Bis auf den Mast, vertraue ich Klebe- und Schraubverbindungen.
Die Flügelprofile sind mit UHU Endfest 300 (300 Kg/cm² Haftkraft) verklebt.
Die Verbindungen bis hin zur Nabe sind geschraubt, so das die Möglichkeit besteht den Rotor auszurichten, da bei höheren Umdrehungen eine relativ hohe Unwucht zu Problemen führen würde.
Den Aufbau im Detail werde ich in den folgenden Seiten (Siehe Page Navigation – oben rechts auf der Seite) erklären.

Und zum Schluss noch die Zeichnung des Profils mit das Projekt 2011 begann:

Zeichnung Fluegelprofil

Kreissägeblatt – Generator – Experiment 1

Das erste Experiment mit dem Stator auf dem Kreissägeblatt sollte:

  • einen Anhaltspunkt geben, wie hoch die Induzierte Spannung ist,
  • mit welcher Leistung ich rechnen kann
  • ob das mit den drei Phasen so funktioniert, wie ich es mir vorgestellt habe.
Vorschau_Spulen_Experiment1_1
Vorschau_Spulen_Experiment1_2
Vorschau_Gleichrichtung_Stern_3Phasen


Der Aufbau sollte möglichst einfach sein und sich schnell realisieren lassen, weshalb ich mich dafür entschied 3 Spulen mit je 50m 0,25 mm² Kupferlackdraht zu wickeln.
50 Meter waren gerade verfügbar. Es sind genau 400 Windungen pro Spule heraus gekommen.
Diese wurden ‚im Verhältnis 4:3‘ zu den 28 Magneten, also mit 17,14 Grad Abstand ausgehend von der Stator-Mitte auf ein Stück Sperrholz mittels handelsüblichen Bastel-Leim aufgeklebt.
Die Drahtenden wurden in Sternschaltung verbunden, so dass 3 Anschlussdrähte von der Spulenseite her vorhanden sind.
Dann habe ich mit 6 Si-Dioden einen Gleichrichter, genau wie er in Autolichtmaschinen eingesetzt wird, aufgebaut.

Der erste Test lief sehr erfolgversprechend. Der Stator, also das Kreissägeblatt lag auf einer Drehscheibe, so dass ich es leicht per Hand in Rotation versetzen konnte.
Die Spulen wurden während des Laufes so genau es eben ging über die Magneten gehalten.

Ein paar der Versuche habe ich mit der Video Kamera festgehalten, um ermitteln zu können, welche Leistung, bei welcher Drehzahl abgegeben wird, um eine Vorstellung zu bekommen, was aktuell an Leistung raus kommt und in welche Richtung weitere Versuche abgewandelt werden sollten.

Wie in den Grafiken zu erkennen, wurde eine stolze Leistung von ca. 1,6 Watt bei 190 U/min erzeugt, was eine enorme Steigerung zu allen Vorgänger Versuchen ist.

 

Eigenbau Wooden Generator 1

Recht schnell wurde quick an dirty eine Versuchsanordnung aufgebaut. Ich habe Wert darauf gelegt möglichst viel Masse nach außen zu verlagern, damit das Drehmoment höher wird und einmal Anschieben ein Stück vorhält. Anbei ein paar Bilder vom Aufbau.

Bauplan:

Ich habe keine Neodym-, sondern ganz normale Keramikmagneten verwendet. Die haben zwar nur ca. 20 Prozent der Leistung eines Neodymmagneten mit gleichem Ausmass, sind aber wesentlich günstiger.
Auf einem Durchmesser von 14,7 cm (Magnetmitte), habe ich 10 Magnete Durchmesser 30mm Höhe 5mm für ca. 3 Euro aus dem Opitec Katalog angebracht.

Bei 60 U*min-1 ergibt das eine stolze Geschwindigkeit von 0,46 m/s im Magnetmittelpunkt. Pro Sekunde würden dann 10 Magneten die Spule(en) überqueren.

Da der ‘Generator’ von der Spannung her sowieso nicht die Welt bringen würde und jede Diode, die im Stromkreis verbaut ist (SI) erstmal 0,7 Volt für sich benötigt, habe ich die Magneten alle mit dem Nordpol nach oben angebracht. Wenn ein Leiter über quer zu den magnetischen Feldlinien bewegt wird, sollte dann Strom in nur eine Richtung fliessen. Soweit zur Theorie. Wie man im folgenden Bild sehen kann, wird doch eine Wechselspannung erzeugt. Lange Zeit war mir unklar warum. Das liegt zum großen Teil auch daran, dass losgeschraubt wird ohne die Grundlagen mal gewissenhaft zu lesen.

Wenn ich eine Spule so wie hier vorgesehen über einen Magneten bewege, wird solange sich nur eine Hälfte der Spule über dem Magnet befindet ein Stromfluss einstellen. Sobald die zweite Spulenseite den Magneten überstreift, kommt ein entgegengerichteter Stromfluß hinzu, was bedeutet, dass beide Ströme sich unter Umständen aufheben. Tolle Konstruktion! Denken hätte geholfen. Es läßt sich an dem Punkt bereits erkennen, dass Potential zur Verbesserung da ist. Ich wurde trotzdem mit dem Leuchten 2er Leuchtdioden belohnt. Ganz erfolglos war es also nicht.

Für den ersten Test habe ich eine (einzige) Spule verwendet. Leider hat diese noch einen 8mm Eisenkern, aber ohne gab es auf die Schelle keine Erfolge. Ich habe einen alten Spulenkörper genommen und 50 Meter 0,25 mm² Kupferlackdraht zu ca. 950 Windungen gewickelt. Das reichte dann bei schnellen anschieben einige Sekunden 2 kleine Leuchtdioden (1,7V – 5mA) aufleuchten zu lassen. Das es funktioniert ist damit schonmal nachgewiesen, auch wenn die Ausbeute miserabel war.

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Drehzahlmessung und Datenerfassung durch Videobeweis

Die Idee entstand beim Versuch zu ermitteln, was aus meinem Kreissägeblatt Scheibengenerator für eine Leistung kommen könnte.

Das Sägeblatt, also der Stator mit den Neodym – Magneten liegt auf einem Drehteller, der eigentlich unter einen Fernseher oder ähnliches gehört und wird per Hand angeschoben. Ein typischer Versuchsaufbau im Heimbereich eben.

Die Spulen für die Stromerzeugung, werden auch per Hand in die Richtung der Magneten geführt, was dafür sorgt, keine Hand mehr frei zu haben.

Ich kann nun punktgenau ablesen wie viel Spannung über einem Verbraucher (kleine Lämpchen) anliegt und wie viel Strom fließt. Daraus ist es einfach auf die abgegebene Leistung zu schließen.
Leider aber nur Pi mal Daumen.
Aussagen wie: Wenn ich schnell drehe, dann Leistung 1, wenn langsam, dann Leistung 2, sind möglich. Unbefriedigend.

Selbst wenn ich nun einen Drehzahlmesser zusätzlich ins Spiel bringe, wird es nicht einfach den Stator anzuschieben, die Spulen zu halten, die Werte punktgenau zur selben Zeit abzulesen.

Die Idee:

  • Sägeblatt an einer Stelle markieren, um eine Umdrehung gut nachvollziehen zu können.
  • Die Versuchsanordnung so aufbauen, dass eine Videokamera das Sägeblatt und die Messgeräte aufnehmen kann.

Das Video zur Idee:

Bemerkungen:

  • geeignet für Drehzahlen unter 300 U/min, da eine normale Videokamera nur 25 Bilder pro Sekunde aufnimmt.
  • Außer der Videokamera, werden nur noch 2 Vielzweckmessgeräte benötigt, die meist bereits vorhanden sind.
  • Das Ergebnis ist verblüffend. Ich kann damit direkt vergleichen, ob eine Änderung im Aufbau sich so auswirkt, wie ich es gern hätte.
  • Die Auswertung ist jederzeit wiederholbar. Habe ich erst mal das Video, kann ich es auch später auswerten.
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001 – manuelle Verbrauchsgenerierung und Messung

Mein Ziel für 2012 ist es 10 KW Stunden Strom selbst herzustellen.

Das erfordert die hergestellte Menge in irgendeiner Form zu quantifizieren.
Also habe ich mir Gedanken gemacht, wie das am einfachsten, mit einer relativ hohen Genauigkeit realisiert werden kann.

Da ich als Speichermedium eine Autobatterie verwende, bietet es sich an eine Glühlampe vom Auto zu nutzen.
Ich hatte eine Lampe zur Hand, die 2 Glühfäden enthält. Einmal 21 Watt für das Abblendlicht und einmal 5 Watt für das Standlicht. Beide zusammen geschaltet ergibt in Summe 26 Watt.

Wird diese nun eine Stunde lang eingeschaltet, hat Sie genau 26 Wattstunden oder ganze 0,026 KWh Energie verbraucht.
Nach 38,47 Stunden Dauerlicht hat die Lampe 1 KWh verbraucht. Das klingt ewig, aber bei dem kleinen 20 Watt Panel (bei voller Sonneneinstrahlung) dauert es ja auch recht lang bis die Energie mal in die Batterie hinein gelaufen ist.
Da kann ich dann den Verbrauch auch ein wenig genießen.

Vorteile der Lösung:

  • absolut geringer Materialaufwand
  • relativ genau
  • sehr schnell umsetzbar

Nachteile der Lösung:

  • manuelles Ein- und natürlich auch wieder Ausschalten ist erforderlich
  • manuelles notieren der Verbrauchszeiten erforderlich
  • hohes Risiko die Batterie zu stark zu entladen, im Falle, dass das Ausschalten verspätet erfolgt

Messergebnisse:

Summe 5554 2,41 KWh
Datum Startzeit Endzeit Summe Summe in Minuten Verbrauchte Leistung Verbraucher Erzeuger Ablesemodus
21.05.12 08:49:00 12:53:00 04:04:00 244 105,73 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
22.05.12 08:35:00 14:25:00 05:50:00 350 151,67 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
25.05.12 08:28:00 17:28:00 09:00:00 540 234,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
28.05.12 13:53:00 18:25:00 04:32:00 272 117,87 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
29.05.12 15:48:00 20:25:00 04:37:00 277 120,03 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
31.05.12 08:09:00 17:38:00 09:29:00 569 246,57 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
07.06.12 08:04:00 15:29:00 07:25:00 445 192,83 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
16.06.12 09:02:00 13:15:00 04:13:00 253 109,63 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
18.06.12 08:08:00 15:54:00 07:46:00 466 201,93 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
28.06.12 09:00:00 09:30:00 00:30:00 30 13,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
01.07.12 15:26:00 19:26:00 04:00:00 240 104,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
03.07.12 14:22:00 19:06:00 04:44:00 288 124,80 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
08.07.12 09:04:00 13:28:00 04:24:00 264 114,40 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
11.07.12 17:17:00 22:20:00 05:03:00 303 131,30 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
13.07.12 15:58:00 20:51:00 04:53:00 293 126,97 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
24.07.12 18:08:00 21:27:00 03:19:00 199 86,23 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
01.08.12 08:26:00 17:07:00 08:41:00 521 225,77 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand